阶梯扩散器出口段流场分析*

董茜茜，刚芹果

(河北大学 建筑工程学院，河北 保定 071002)

阶梯扩散器出口段流场分析*

董茜茜，刚芹果

(河北大学 建筑工程学院，河北 保定 071002)

对湍流发生器内的浆流进行两相流动的数值模拟，主要针对阶梯扩散器结构形式。通过改变出口段管长进行多次模拟，得到出口段内的压强、湍动能、纤维分布与阶梯扩散器尺寸间的关系，为以后研究工作提供依据。

阶梯扩散器；流场分析；出口段

Abstract: Numerical flow simulation in turbulence generators, especially in the step diffuser, is investigated. The relationship among structure and pressure, turbulence energy, and the dispersion of fiber are discussed after a series of simulation for the outlet of different length. The method and results are applicable and useful for the further research.

Key words: step diffuser；inner flow；outlet

0 引 言

流浆箱是造纸机的关键部件，被誉为造纸机的“心脏”。其主要功能是把合乎要求的纸浆，按照造纸机成形部分的要求送到成形网上，为纸幅的良好成形提供必要的前提[1]。流浆箱的性能主要取决于湍流发生器的结构。

湍流发生器的种类包括：阶梯扩散型和渐扩型，其中阶梯扩散型结构分为有锥度型和无锥度型两类，渐扩型结构根据出口形状不同分为矩形、正方形、正六边形等。已有的模拟研究中，文献[2]对两种湍流发生器的性能进行了比较，并对阶梯扩散型进行了结构优化；文献[3]模拟了阶梯扩散型的几何尺寸对浆流流动的影响；文献[4]对组合型湍流发生器进行了结构优化；文献[5]对两种湍流发生器进行了比较。在这些已有的研究中，并没有对出口段内流场进行仿真研究。

笔者尝试采用固液两相模式来直接分析圆形出口截面阶梯扩散器内的纸浆流动状态，并通过不断改变出口段长度，对出口段的流场进行数值模拟分析，以得到阶梯扩散器出口段内不同位置流场速度分布，纤维分布，湍动能分布，从而为以后试验工作提供了依据。

1 阶梯扩散器的结构及几何尺寸

从主要微湍流衡量指标比较可知阶梯扩散器更有利于纸浆纤维的解絮和分布均匀。无锥度阶扩型的湍流强度在整个流向上都大于有锥度型[2]。因此，本文选择对无锥度阶扩型湍流发生器进行数值模拟。

根据文献[3]、[4]中的方法，确定阶梯型扩散器的尺寸如下：阶梯扩散器的阶数：N1=3；进口管直径：D1=15 mm；长径比：前两段管长径比N2=4，最后一段管长径比N2=4.5；相邻两段管的截面积比：相邻两段管的横截面积比显示了阶梯扩散器的扩散程度。各阶梯的扩散比最好相等，因此选用N3=3。根据以上原则，阶梯管设计如下：

进口管长：L1=D1×4=60 mm

第二级管长度：L2=D2×4=104 mm

出口管长：L3=4.5×45=202.5 mm≈203 mm

图1 阶梯扩散器尺寸

2 阶梯扩散器内流场的仿真模拟

模拟仿真采用Ansys CFX软件进行模拟仿真。CFX软件采用的是全隐式耦合多网格线性求解器，具有收敛速度快，可以读入多种形式的网格，并能在计算中自动加密或稀疏网格，优秀的并行计算能力，强大的前后处理功能等优点[6]。

2.1 阶梯扩散器的几何模型及其网格划分

利用建模软件Pro/E建立其模型，如图2所示。将建好的模型保存为*.igs格式，将保存好的*igs模型输入到ICEM CFD中进行网格划分。划分网格时，网格类型采取四面体网格。本次模拟对象的模型尺寸会发生改变，因此在划分网格的时，会根据不同的模型以及后续计算速度和收敛情况，选择不同的网格尺寸，一般采用1.5 mm、2 mm、3 mm。在输出网格文件时，同时选择求解器为Ansys CFX。将划分好的网格输入到CFX-Pre中进行前处理。

图2 阶梯扩散器模型

2.2 仿真过程

CFX前处理时模拟计算中最重要的一环，物质的选取，方程的选定，边界条件的约束，求解器的设定等都是在这一环节中完成的，每一个环节都会影响到模拟的准确性[6]。

(1) 物质设定及湍流模型选取：纸浆为两相流体—固态纤维与白水组成的悬浮液，在模拟中，将其简化为水和一种新定义的固体颗粒。由于纤维浓度的不同在一定程度上会影响到水和固体材料的比例，本次研究采用的浆流浓度为0.9%。同时选用K-ε的湍流模型进行模拟仿真，其模型常数为：

C1ε=1.44,C2ε=1.92,Cμ=0.09,σk=1.0,σε=1.3

(2) 边界条件：由于已知进口速度，因此进口边界条件采用速度进口。入口速度越大，湍动程度越大，纤维分布越均匀。但较高的速度需要更高的进浆压力和能耗，选6m/s。根据前面的设计，三段管的直径分别为：15 mm、26 mm、45 mm，因此，出口浆流速度为0.67 m/s。对于湍流模拟需要设定壁面粗糙度。根据实际情况，流浆箱的粗糙度为0.08 μm。

(3) 求解器设定：对于不同尺寸的模型需要不断调整差分格式。为了使计算自动停止，迭代次数设为1000。收敛方案采用的残差值为系统默认的残差值为均方根残差值(Root Mean Square， RMS)。RMS=1e-4时，收敛效果好，可以满足大多数功能应用。本次研究采用这个数值。

3 仿真结果分析

不断改变阶梯扩散器最后一阶管的长度并模拟其内部浆流的流动形态，对其出口压强分布、湍动能分布和纤维分布进行综合分析。并将这些参数的最大值与最小值之差进行统计并绘制成曲线，如图3，图4所示。

图3 不同出口段尺寸时，出口截面纤维体积分数差、湍动能差

图4 不同出口段尺寸时的出口压强差

综合出口段不同位置处总压分布，湍动能分布，纤维分布的图线，对最后一段管长与这些变量之间的关系以及各个变量之间的关系进行分析，可得到如下结论：

出口段不同位置处压强差、湍动能、纤维体积分数差的分布随着管长的变化发生变化。这种变化呈现一定的周期，这个周期近似为10,与最后两段管半径之差非常接近。

这是由于浆料在管内作湍流流动时，浆料杂乱运动并互相碰撞，产生不同尺寸的旋涡。在湍流时，浆料除了沿管轴线方向流动外，还在截面上产生横向流动，在纸浆沿管道流动的过程中，纸浆会与管壁发生碰撞。因此，纸浆在管道内会呈现出波浪式前进。在波峰和波谷的位置，湍动能的分布的情况是不一样的。在湍动能之差大的地方，纤维分布越不均匀，当湍动能呈现周期性变化时，纤维分布也会呈现出周期性变化。

4 总 结

通过模拟分析阶梯扩散器出口处不同位置处的压强、湍动能、纤维分布等参数，可以得到出口段的流场特性。但本次研究过程中，没有考虑纤维与纤维之间的相互作用以及纤维形变对流场的影响，因此得到的结果与实际情况会存在一定的误差。由于纸浆悬浮液的特殊性质[5]，用何种流场对浆流进行模拟分析仍需要试验的验证，通过试验与数值计算相结合，可以节省设计时间，提高效率。

[1] 刘建安，陈克复.高速纸机流浆箱的设计与发展[J].华南理工大学学报(自然科学版)，2002,30(6):76-80.

[2] 杨 健，肖宗亮，邓嘉胤，等.基于场内数值模拟的微湍流发生器机械结构优化设计方法[J].机械工程学报，2007,43(5):128-132.

[3] 赵 强，潘定如.阶梯扩散式流浆箱的数值模拟研究[J].西南造纸，2005,34(4):15-18.

[4] 侯顺利，崔沙沙.对水力式流浆箱湍流发生器的仿真研究[J].中华纸业，2009,30(23)：72-75.

[5] 王乐勤，杨红霞，杨 旭，等.湍动发生器内流场数值模拟及结构优化设计[J].工程物理学报，2008,29(3)：415-418.

[6] 谢汉龙，赵新宇，张炯明.ASYS CFX流体分析及仿真[M].北京：电子工业出版社，2012.

Analysis of Inner Flow in the Outlet Region of Step Diffuser

DONG Xi-xi，GANG Qin-guo

(CollegeofCivilEngineeringandArchitecture,HebeiUniversity,BaodingHebei071002,China)

2014-06-27

河北大学创新创业训练项目(编号：2013060)

董茜茜(1990-)，女，河北唐山人，在读硕士，研究方向：计算结构力学。

TM621

A

1007-4414(2014)04-0086-02